基于氣壓傳動的新型智能控制閘門

沈陸垚+馮小桃+李佳鵬+沈洋+梁增輝

摘 要 為提高船閘的運行效率、降低成本，設計一種新型的船閘。與傳統船閘相比，該船閘設計改進主要包括以下2個方面：一是閘門結構，上下閘首的工作閘門采用下臥式浮體閘門，閘門的底端通過鉸安裝在水下底板上，組成一個可以繞鉸旋轉的下臥式閘門。在閘門的面板上安裝氣囊，利用氣泵對氣囊進行充排氣實現閘門啟閉。二是智能控制，借鑒高速公路ETC技術和水位感應技術，將其結合運用到船閘的PLC控制系統中，實現對船閘的智能控制。

關鍵詞 船閘；下臥式浮體；智能控制；水位感應；運行管理

中圖分類號 U66 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0184-02

1 設計思路

該智能控制船閘以下臥式浮體閘門為上下閘首的工作閘門，閘門的底端通過鉸安裝在水下底板上，組成一個可以繞鉸旋轉的下臥式閘門。在閘門的面板上裝置氣囊，利用氣泵對氣囊進行充排氣，實現閘門的啟閉。同時將電磁信號感應技術與PLC編程控制系統相結合，實現對船閘的智能控制。以自動控制系統取代人工指揮調度，從而解決船閘通航效率低下，現場人員安排不合理等問題，有效地提高通航效率。

2 閘門結構設計

2.1 閘門形式設計

閘門擬用平面鋼閘門，其底端通過鉸安裝在底板上，組成一個可以繞鉸旋轉的下臥式閘門。在閘門面板上游側裝置氣囊，利用氣泵對氣囊進行充氣和排氣。底止水用條形橡皮，側面用橡皮止水。

2.2 氣囊設計

2.2.1 材料的選用

借用橡膠壩實際工程經驗，可選取與橡膠壩壩體膠層類似的材料。其中膠層分為外層、中層、內層橡膠。由于河流中漂浮物較多，外層橡膠應具有耐磨損，耐日照，耐熱，耐臭氧等性能。內層橡膠應具有較高的水密性和氣密性。中層橡膠對兩層材料起連接作用，應具有較好的粘合性。

2.2.2 外形尺寸擬定

將充脹后的氣囊分成3部分，如圖1所示。上側氣囊曲面線段長度S，下側氣囊曲線段長度S1及貼板段長度D。借鑒充氣式橡膠壩壩袋計算方法，取設計氣囊高4m，分別對應：D=6m，S=6.28m，S1=7.51m。

2.2.3 囊袋徑向強度計算

即袋壁拉力（T）計算。袋內充氣的內壓P0正比于壩高H，氣囊袋拉力T，計算公式為：？

2）壓板的設計。為使壓板在應用中有足夠的強度，壓板宜采用16槽鋼（160mm 64mm 5mm××）的形式。螺栓壓板錨固的施工長度為1m，且在槽鋼內每隔兩個螺栓孔焊一塊加強肋板，厚度為10mm，頂部與槽鋼頂齊以增強壓板的整體剛性。

2.3 氣囊充氣排氣系統設計

根據調查，充氣氣囊內外壓比選取范圍為0.75～1.10，本設計選取1.0。本設計采用動力式充排方式，用空氣機將壓縮空氣充進氣囊袋，并通過排氣閥調節氣囊內氣壓。

管線布置：充脹和排空管采用合并布置形式，充氣管路從起源開始，經穿過閘門進入氣囊袋內，排氣時袋內氣體經原充氣管排放。充氣管道宜采用無縫鋼管，其中在閘門與底板間起連接作用的管道應考慮采用具有塑性變形能力的軟管。同時宜設置壓力表檢測袋內壓力，當壓力超過設計時，即停止充氣，并適量排氣減壓，以防氣囊袋超壓破壞。

2.4 閘門啟閉力計算（摩擦力忽略）

2.4.1 閘門關閉過程

閘門重：

3 船閘智能系統設計

3.1 自動排隊及收費系統設計

在船舶上安裝有源電子標簽，標簽中記錄有船舶信息，在排隊的同時方便船閘管理方獲取船舶信息。為防止挪用，采取特殊措施，實現防拆卸要求，射頻設備通過標準串口RS232/485接口轉以太網與后臺鏈接，這樣，安裝了電子標簽的船舶通過航道時就會在遠距離范圍內被閱讀器識別和讀取數據，上位機對讀取過來的數據進行分析處理應用于排隊系統中。同時，采用ETC自動扣費取代傳統的人工收費方式，將射頻信號輸出端接入PLC編程控制器中。當船舶（隊）過閘時，發出過閘的請求信號，系統自動讀取過閘船舶（隊）的信息（包括船型、船長、船寬、設計載重量以及設計吃水等），計算機終端對讀取的信息進行整理。

3.2 閘門自動啟閉設計

利用閘室及上下游引航道各放置的磁浮子自動跟蹤檢測水位，當系統收到船舶過閘的請求信號后，若磁浮對子不接通（即閘門內外水位不齊平）則系統控制相應輸水廊道的電磁水閥自動開啟，待水位齊平后磁浮對子接通，水閥關閉。PLC控制器輸出控制充氣泵及輸氣管道電磁閥對閘門氣囊充放氣（即啟閉閘門）。

以船舶上行為例，給出請求信號后，磁浮子跟蹤水位，若閘室水位與下游水位不齊平則輸水廊道電磁閥開啟，待水位齊平時磁浮對子接通，輸水廊道電磁閥關閉同時充氣泵及輸氣管道電磁閥開啟，氣泵開始向氣囊內充氣，閘門的關閉流程同上。

3.3 通行（禁行）信號燈設計

通行信號燈選用綠色LED燈，禁行信號燈選用紅色LED燈。結合下臥式浮體閘門的啟閉特點，設置有閘門開啟位及關閉位位置開關一對。根據控制流程，閘門關閉時關閉位置開關接通，信號燈電路接通，紅色LED燈亮起，船舶禁止通行。閘門開啟位置開關接通，綠色LED燈亮起，船舶可以通行。

3.4 自動控制管理系統設計

采用三菱PLC？FX1N-60MR-001可編程控制器，針對船閘的工作流程設計出相應的控制信號和控制的點位作為編程控制器的輸入或輸出端，實現對船閘整體自動控制和管理的設計功能。

控制步序：以船舶上行為例：船舶行至船閘下閘門附近時，發出上行請求信號，系統接受信號開始檢測下閘首兩側水位。如果閘室的水位高于下游水位，則輸水廊道開始輸水。至水位齊平時，下閘氣囊放氣實現閘門開啟。當下閘開啟到位時，信號提示船舶可以進入閘室。船停靠穩定后給出進船完畢信號，下閘門氣囊充氣實現閘門關閉。當下閘關閉到位時，上閘首充水廊道開始輸水，同時系統開始檢測上閘首兩側水位。至上閘首兩側水位齊平時，上閘門氣囊放氣，實現閘門開啟。上閘門開啟到位時，信號提示船只駛出閘室進入上游河道。此時，根據船只情況，進行船只下行步序或關閉上閘門進入船閘空閑等待。

參考文獻

[1]楊開.城鎮水資源利用與保護工程[M].長沙：湖南大學出版社，2010.

[2]水工設計手冊（3）結構計算[M].北京：水利電力出版社，1984.

[3]水工混凝土結構設計規范[S].SL/T 191-96.

[4]段有艷.PLC控制與編程技能實訓[M].北京：中國電力出版社，2013.

[5]Bugarskia.V，&Bakalib.T，&Kuzmanova.U.Fuzzy decision support system for ship lock control.10，3953-3960.1987.